電解水制氫技術主要有堿性水電解(Alkaline Electrolyzer, AE)制氫技術、質子交換膜水電解(Proton Exchange Membrane Electrolyzer, PEME)制氫技術和固體氧化物水電解(Solid Oxide Electrolyzer, SOE)制氫技術。
目前，PEME制氫技術的瓶頸在于設備成本較高、壽命較低，且實際的電解效率還遠低于理論效率(其制氫效率潛力有望超出AE制氫技術)，因此歐美發達國家正重點開展技術攻關以突破技術瓶頸，實現PEME制氫技術的更大發展。SOE制氫技術采用水蒸氣電解，高溫環境下工作，理論能效最高，但該技術尚處于實驗室研發階段。目前，美國、日韓和歐洲均將電解水制氫技術視為未來的主流發展方向，聚焦AE制氫技術規模化和PEME制氫技術產業化。
我國在電解水技術領域呈現出以AE制氫為主、PEME制氫技術為輔的工業應用狀態。其中我國AE制氫設備量全球占有率排名第一，隨著可再生能源電解水制氫有望成為未來主流制氫方式，堿性電解水制氫技術逐步向大容量方向發展。MW級PEME制氫設備目前正處于研發狀態，有望在1~2年內投放市場。但我國在電解水制氫技術方面與國外先進水平仍有一定差距。
我國應采取AE和PEME制氫技術并舉路線，重點提升電解槽關鍵材料及組件的性能，開發出高性能、長壽命、低成本的AE及PEME制氫設備，形成系統性、自主化的完整產品體系，滿足可再生能源制氫、傳統工業制氫及其他用氫場景的需求。“十四五”期間重點推動大容量AE制氫技術示范應用，著力推動PEME制氫技術研發攻關，加強兩種技術融合應用及電氫系統示范。具體電解水制氫技術路線如圖1所示。
在AE制氫技術方面，重點開發高活性、長壽命析氫析氧催化電極，新型高氣阻、低電阻、環保型隔膜;開展堿性水電解槽流場模擬，優化電解槽流場結構設計;并基于基礎技術研究成果，開展零極距堿性電解槽設計。針對可再生能源制氫的需求，開發模塊化并聯的大規模電解制氫系統及其控制技術，開展快速變載工況的高效制氫技術研究，開發大規模可再生能源制氫調度、控制技術，以及開發高壓堿性水電解制氫設備等。
圖1 電解水制氫技術路線圖
在PEME制氫技術方面，重點開發高性能納米級催化劑，低貴金屬擔載量、高耐久的膜電極組件，高孔隙率、低電阻集流體，國產質子交換膜性能提升，并在突破核心技術和零部件的基礎上，加快相關技術的產業化應用。
PEME設備集成方面，開展質子交換膜電解槽功能組件的建模及流場模擬，開發新型結構的零極距質子交換膜電解槽，開發高一致性質子交換膜電解槽組裝技術等。開展MW級PEME制氫系統的集成設計，研究高功率密度下制氫設備的氣、熱管理技術。開發PEME制氫設備壽命快速評測技術，建立設備壽命數據庫。
為實現上述技術目標，需進行以下課題開發：
1）高效、長壽命堿性水電解制氫技術（2025年）
關鍵材料與組件方面，開發高活性析氫、析氧催化電極，深入研究材料結構與性能的構效關系，評測工況條件下新電極的壽命，開發易于實現的高效、長壽命催化電極制備技術，并進行產業化應用。
研發功能涂層材料，克服編織結構隔膜經緯線間空隙大的缺點，以及開展聚合物復合隔膜、超細纖維無規堆砌的非織造隔膜等新型結構隔膜的研發工作，開發出高離子傳導性、高氣阻、低電阻、環保型堿性水電解隔膜。開展高壓密封材料研究，開發高壓堿性水電解制氫設備。
設備開發方面，開展全系列堿性水電解槽流場模擬，分析高氣液比流體在電解小室狹小空間內的流體流動及傳熱傳質特點，優化電解槽流場結構設計。開展新型零極距堿性電解槽設計，降低電解槽材料接觸電阻。開發模塊化并聯的電解制氫設備集成優化、制造技術及負荷耦合控制機制，實現大容量制氫設備線性擴容，滿足規模化可再生能源制氫需求。并針對大容量AE制氫設備開展氣液處理等單元設備及工藝系統重構研究，優化單元設備設計，提高系統集成度及自動化控制水平。
可再生能源耦合制氫方面，開發百兆瓦級大規模可再生能源制氫系統，建立通用的系統設計、建設、集成調度與運維控制規范，為推廣應用奠定基礎。研究可再生能源波動對壽命的影響、開發可再生能源制氫綜合能效評價技術。開發大規模可再生能源制氫大數據管理平臺。
2）高效低成本MW級PEME制氫系統（2025年）
關鍵材料及組件方面，開展低擔載量貴金屬納米催化劑及其載體研究，開發催化劑宏量制備技術，降低催化劑成本。研究催化劑中毒失活機理及關鍵影響因素，提高催化劑的壽命。開展低貴金屬擔載量、高耐久性的膜電極組件研究，評測其性能、壽命等關鍵指標，掌握膜電極制備關鍵技術。開發膜電極制備的關鍵配套設備。
開發高孔隙率、低電阻的鈦基、碳基等材質的集流體，分析厚度、孔隙率、電阻率、氣體擴散速率等參數間的關系，形成最優化結構提高PEME設備的性能。開發廢舊膜電極組件負載貴金屬材料的回收及再生利用技術，降低設備全周期的成本。
系統設備方面，開展質子交換膜電解槽極板及集流體功能組件的建模及流場模擬，分析其流體流動及傳質傳熱的特征，優化極板及集流體的設計。基于材料及組件的研究成果，開展新型零極距質子交換膜電解槽設計，降低電解槽材料接觸電阻及其制造成本。開展MW級PEME制氫系統的集成設計，研究高功率密度下制氫設備的氣、熱管理技術。開發PEME制氫設備壽命快速評測技術，建立設備壽命數據庫。
3）P2G場景下高效、長壽命電解水制氫技術（2030年）
研究PEME電解槽質子交換膜在輸入功率波動工況下的衰減機理，明確影響因素，開發延緩質子膜衰減的電解槽運行控制技術。研究變載工況下PEME電解槽的功率響應特性，開發變載工況下的高效電解制氫控制技術。研究大功率PEME電解槽余熱回收利用技術。開發系統綜合能效評價技術，形成科學可靠的可再生能源制氫評價體系。
